不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为_兰臣臣.pdf

第5 8卷 第6期 2 0 2 3年6月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.6,p 1 8-2 5 J u n e2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 7 7 5不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为兰臣臣1,邵建男1,张淑会1,刘 然1,毕忠新2,郄亚娜1(1.华北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0;2.河北钢铁集团承德钢铁公司,河北 承德0 6 7 0 0 0)摘 要:随着钢铁企业“双碳”目标的提出,明确焦炭在炼铁过程中的作用行为至关重要。同时高炉富氢冶炼技术的推广给高炉内原燃料的反应行为带来了较大的变化,因此,研究在无氢和有氢气氛下不同反应性焦炭在高炉炉料还原-软熔过程中的作用行为对高炉冶炼具有重要意义。模拟高炉实际炉料结构,研究了不同反应性焦炭对矿石还原度和焦炭的气化率及孔隙结构变化的影响,探索焦炭反应性对炉料软熔性能及软熔带透气性的影响,解析不同反应性焦炭与渣铁界面作用行为的变化机理。研究结果表明,焦炭的反应性提高使各温度下矿石还原度和焦炭气化率均提高,各温度下焦炭的表层孔隙率增加,在无氢气氛下孔隙率的增加幅度低于有氢气氛,焦炭内部孔隙结构整体变化幅度较小。焦炭反应性提高后,炉料的软化温度区间减小且向低温区移动,在无氢气氛下熔化温度区间降低,在有氢气氛下熔化温度区间略有增加,焦炭表层碳基体劣化严重且强度降低,料层最大压差增加,透气性劣化,无氢时的影响程度强于有氢时的影响程度。增加焦炭反应性后,在无氢气氛下渣铁分离较好,且炉渣可以与焦炭灰分有效融合,使熔化带向低温区移动;在有氢气氛下,焦炭表层灰分含量较高,且不能及时与炉渣融合更新焦炭表面的活性点位,使熔渣中的浮氏体还原和金属铁渗碳的阻力增加,不利于软熔带透气性能的改善。关键词:焦炭;反应性;矿石还原;软熔性能;氢气文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 6-0 0 1 8-0 8F u n c t i o n a l b e h a v i o ro f c o k ew i t hd i f f e r e n t r e a c t i v i t yi nr e d u c t i o n-s o f t e n i n g-m e l t i n gp r o c e s so fb u r d e nL ANC h e n c h e n1,S HAOJ i a n n a n1,Z HANGS h u h u i1,L I UR a n1,B IZ h o n g x i n2,Q I EY a n a1(1.C o l l e g eo fM e t a l l u r g ya n dE n e r g y,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a n0 6 3 2 1 0,H e b e i,C h i n a;2.C h e n g d e I r o na n dS t e e lC o m p a n y,HB I S,C h e n g d e0 6 7 0 0 0,H e b e i,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 0 4 3 4 4);河北省自然科学基金资助项目(E 2 0 2 1 2 0 9 0 4 6,2 2 3 7 4 0 0 3 D);唐山科技计划资助项目(2 1 1 3 0 2 0 9 C)作者简介:兰臣臣(1 9 8 9),男,博士,讲师;E-m a i l:1 5 0 8 1 5 8 6 0 2 81 6 3.c o m;收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 2通信作者:张淑会(1 9 7 6),女,博士,教授;E-m a i l:z h a n g s h u h u i n c s t.e d u.c nA b s t r a c t:W i t ht h ep r o p o s a l o f t h eg o a l so f c a r b o nn e u t r a l i z a t i o na n dc a r b o np e a k i n g i n i r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e s,i t i sv e r y i m p o r t a n t t oc l a r i f y t h e r o l eo f c o k e i n t h e i r o n m a k i n gp r o c e s s.A t t h e s a m e t i m e,t h ep r o m o t i o no fh y d r o-g e n-r i c hs m e l t i n gt e c h n o l o g y i nb l a s t f u r n a c e(B F)h a sb r o u g h t g r e a t c h a n g e s t o t h e r e a c t i o nb e h a v i o r so f r a wm a t e-r i a l sa n d f u e l s.T h e r e f o r e,i t i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t os t u d y t h ee f f e c t o f c o k e r e a c t i v i t yo nt h e r e d u c t i o n-s o f t e n i n g-m e l t i n gp r o c e s so fB Fb u r d e n i nh y d r o g e n f r e ea n dh y d r o g e nc o n t a i n i n ga t m o s p h e r e s,r e s p e c t i v e l y.S i m u l a t e t h ea c-t u a lb u r d e ns t r u c t u r eo f t h eB F,s t u d yt h e i n f l u e n c eo f c o k e r e a c t i v i t yo nt h eo r e r e d u c t i o nd e g r e e,c o k eg a s i f i c a t i o nr a t ea n dp o r es t r u c t u r e,e x p l o r e t h e i n f l u e n c eo f c o k e r e a c t i v i t yo nt h es o f t e n i n g-m e l t i n gp r o p e r t yo fb u r d e na n dt h ep e r m e a b i l i t yo f t h ec o h e s i v ez o n e,a n da n a l y z et h ec h a n g em e c h a n i s mo f t h e i n t e r a c t i o nb e h a v i o rb e t w e e nd i f f e r e n tr e a c t i v ec o k ea n ds l a g i r o n i n t e r f a c e.T h er e s u l t ss h o wt h a t,t h e i n c r e a s eo f c o k er e a c t i v i t y i n c r e a s e s t h eo r er e d u c-t i o nd e g r e ea n dc o k eg a s i f i c a t i o nr a t e a t v a r i o u s t e m p e r a t u r e s.T h e s u r f a c ep o r o s i t yo f c o k e i n c r e a s e s a t v a r i o u s t e m-p e r a t u r e s.T h ep o r o s i t y i n c r e a s e s l e s s i n t h eh y d r o g e n f r e e a t m o s p h e r e t h a n i n t h eh y d r o g e nc o n t a i n i n ga t m o s p h e r e,a n dt h eo v e r a l l c h a n g er a n g eo f c o k e i n t e r n a l p o r e s t r u c t u r e i s s m a l l.A f t e r t h e c o k e r e a c t i v i t y i m p r o v e s,t h e s o f t e n-i n gt e m p e r a t u r e r a n g ed e c r e a s e sa n dm o v e s t o t h e l o wt e m p e r a t u r e z o n e,t h em e l t i n gt e m p e r a t u r e r a n g ed e c r e a s e s i nt h eh y d r o g e nf r e ea t m o s p h e r e,a n dt h em e l t i n gt e m p e r a t u r er a n g es l i g h t l yi n c r e a s e s i nt h eh y d r o g e nc o n t a i n i n ga t-m o s p h e r e.T h ec a r b o nm a t r i xo nt h ec o k es u r f a c e i ss e r i o u s l yd e t e r i o r a t e da n dt h es u r f a c es t r e n g t hd e c r e a s e s,t h em a x i m u md i f f e r e n t i a lp r e s s u r ei n c r e a s e s,a n dt h ep e r m e a b i l i t yd e t e r i o r a t e s.T h ei n f l u e n c ed e g r e ei nt h eh y d r o g e n第6期兰臣臣,等:不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为f r e ea t m o s p h e r e i ss t r o n g e r t h a nt h a t i nt h eh y d r o g e nc o n t a i n i n ga t m o s p h e r e.A f t e r i n c r e a s i n gc o k er e a c t i v i t y,s l a gi r o ns e p a r a t i o n i sb e t t e r i nh y d r o g e nf r e ea t m o s p h e r e,a n ds l a gc a nb ee f f e c t i v e l yf u s e dw i t hc o k ea s h,s ot h a t t h em e l t i n gz o n em o v e s t o t h e l o wt e m p e r a t u r e z o n e.I n t h eh y d r o g e nc o n t a i n i n ga t m o s p h e r e,t h e c o k e s u r f a c eh a s ah i g ha s hc o n t e n t,a n dc a nn o t b e t i m e l y f u s e dw i t h t h e s l a g t ou p d a t e t h e a c t i v ep o i n t o n t h e c o k e s u r f a c e,w h i c h i n c r e a s e st h er e s i s t a n c eo ft h ew s t i t er e d u c t i o ni nt h es l a ga n dm e t a l i r o nc a r b u r i z a t i o n,w h i c hi sn o tc o n d u c i v et ot h e i m-p r o v e m e n to f t h ep e r m e a b i l i t yo f t h ec o h e s i v ez o n e.K e yw o r d s:c o k e;r e a c t i v i t y;o r er e d u c t i o n;s o f t e n i n g-m e l t i n gp r o p e r t y;h y d r o g e n 在碳达峰、碳中和的背景下,作为耗能大户的钢铁企业承担着沉重的节能减排任务,这迫使炼铁工作者不断改进工艺技术,提高资源的利用率。随着中国优质炼焦资源面临枯竭,环境压力急剧增加,以碳作为能量流和物质流主要载体的高炉炼铁工艺面临前所未有的挑战1-3。高炉炼铁所需能量的7 8%由碳素(焦炭和煤粉)燃烧提供4。因此,提高碳素能源的利用效率,明确碳素能源在炼铁过程中的反应行为至关重要。焦炭作为现代高炉炼铁中不可替代的原料,其质量的好坏直接影响着高炉的透气性、透液性、焦比、喷煤比以及铁水质量,其在高炉冶炼过程中起着至关重要的作用5-7。因此,研究焦炭对高炉冶炼的影响具有重要的实际意义。焦炭的反应性是评价焦炭质量的重要指标,其也直接影响着高炉内原燃料的反应行为。文献8-9 研究了焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响,指出适当提高焦炭的反应性,能够明显改善高炉块状带含铁炉料的还原条件。Z HAOHB等1 0指出,提高焦炭反应性后高炉块状带表现为压差低、热储存区温度低、煤气利用率高和矿石还原率好。吕庆等1 1研究指出焦炭反应性增强后,反应后强度降低,焦炭的料柱骨架作用会减弱,料层透气性变差。为了缓解高炉炼铁带来的环境问题,冶金工作者提出提高高炉内H2体积分数替代部分焦炭的消耗,达到节能减排的目的。日本C OUR S E5 0项目将高炉内还原剂部分置换成氢气,以达到减少高炉1 0%C O2排放的目的1 2;德国蒂森克虏伯公司的高炉使用部分H2代替煤进行冶炼,预期可降低2 0%C O2排放1 3;中国宝武集团进行 了 富 氢 碳 循 环 氧 气 高 炉 冶 炼,已 实 现 降 碳1 5%1 4;中国钢研氢冶金中心完成了晋南钢铁2座18 6 0m3高炉风口喷吹焦炉煤气的工业化应用,高炉燃料比降低约3 2k g/t1 5。研究表明1 6-1 8,H2对铁氧化物的还原动力学条件优于C O,使得高炉富氢后铁矿石的还原速率增加,含铁炉料不同温度下的还原过程和微观形貌发生较大改变。同时,高炉富氢冶炼改变了焦炭的劣化机制,产生的H2O使得焦炭强度和微观结构的演变发生较大改变1 9-2 2。因此,不同反应性焦炭在无氢和有氢气氛下对高炉炉料还原-软熔过程的影响也存在差异。目前关于这方面的研究较少。基于此,本文模拟高炉实际炉料结构,研究不同反应性焦炭分别在无氢和有氢气氛下对高炉炉料还原-软熔过程中的作用行为,研究结果为高炉冶炼提供理论参考。1 试验方法试验所用原燃料均来自某钢厂高炉生产现场,将烧结矿、球团矿和焦炭进行破碎并筛分,选取烧结矿和球团矿粒度为1 01 2.5 0mm,选取焦炭粒度为1 21 4mm且形状饱满。试验前将其放入烘箱中在(1 2 05)的条件下烘干2h。烧结矿和球团矿的化学成分见表1。焦炭的工业分析及反应性(C R I)和反应后强度(C S R)见表2。表1 烧结矿和球团矿的化学成分(质量分数)T a b l e1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n so f s i n t e ra n dp e l l e t%矿石T F eF e OS i O2A l2O3C a OM g OT i O2V2O5SP烧结矿5 4.3 68.4 55.3 62.2 61 1.5 42.3 81.5 30.2 70.0 2 00.0 5球团矿5 8.6 70.8 75.9 51.7 61.0 82.4 73.5 60.4 40.0 0 10.0 4表2 焦炭的工业分析、反应性和反应后强度T a b l e2 I n d u s t r i a l a n a l y s i s,C R Ia n dC S Ro f c o k e%名称工业分析固定碳灰分挥发分反应性反应后强度焦炭A8 5.9 21 2.4 01.4 32 3.7 36 7.5 4焦炭B8 6.8 81 1.2 71.5 73 5.7 35 0.1 491钢 铁第5 8卷 试验所用的高温炉示意如图1所示。用石墨坩埚作为反应容器,其内先装入2 0mm焦炭,再装入5 0mm的烧结矿和球团矿混合料(其比例根据某钢厂实际生产确定,烧结矿的质量分数为6 6%,球团矿的质量分数为3 4%),最后再装入2 0mm焦炭。将坩埚放入反应炉中,加荷重为0.1MP a。升温速率设定为:温度小于9 0 0 时以1 0/m i n的升温速率升温,温度为9 0 011 0 0 时以2/m i n的升温速率升温,温度大于11 0 0后以5/m i n的升温 速 率 升 温。试 样 升 温 过 程 中 通 入 混 合 气 体N2-C O-H2,流量为6L/m i n。试验分别在4个条件下进行:条件1,气氛(C O)=3 0%,(H2)=0,焦炭A;条件2,气氛(C O)=3 0%,(H2)=0,焦炭B;条件3,气氛(C O)=3 0%,(H2)=1 0%,焦炭A;条件4,气氛(C O)=3 0%,(H2)=1 0%,焦炭B)。试验采用历程中断法,分别称量不同温度下含铁炉料和焦炭的失重,并利用式(1)和式(2)计算含铁炉料还原度Ri以及焦炭的气化率Rc。同时由电 脑 自 动 记 录 试 验 过 程 中 炉 料 的 软 熔 过 程参数。Ri=0.1 1w(F e O)0.4 3 0w(T F e)+m1-mm00.4 3w(T F e)1 0 01 0 0%(1)式中:m0为试样的质量,g;m1为还原开始前试样质量,g;m为还原m i n后试样质量,g;w(F e O)为试验前试样中F e O的质量分数,%;w(T F e)为试验前试样的T F e的质量分数,%。Rc=m2-m3m01 0 0%(2)式中:m2为试验前焦炭的质量,g;m3为反应后焦炭的剩余质量,g;试验结束后,分别取9 0 0、10 0 0、11 0 0和12 0 0的焦炭样品进行焦炭孔隙率的测定。将焦炭在固化剂溶液中固化,用精密切割设备沿中心平面切割焦炭,并对切割面进行抛光。利用焦炭孔隙结构自动分析系统对抛光平面进行单点识别,利用该软件对全部识别点处的焦炭孔隙率进行统计分析,获得不同区域焦炭的孔隙率。取高温区渣铁与焦炭的黏结物进行渣铁-焦炭界面特征分析。用固化剂对黏结物进行镶嵌,用精密切割设备沿中心平面切割,并对切割面进行抛光。通过扫描电子显微镜(S EM)和能量色散谱仪(E D S)分别分析了渣铁-焦炭界面的微观形貌及元素分布。1-C O;2-N2;3-H2;4-混气罐;5-热电偶;6-石墨压头;7-含铁炉料;8-高温熔滴炉;9-焦炭;1 0-压力表;1 1-盛物坩埚;1 2-压力砝码;1 3-位移传感器;1 4-摄像头;1 5-电脑;1 6-控制柜。图1 高温试验炉示意F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t e s th i g ht e m p e r a t u r e f u r n a c e2 矿石还原及焦炭气化特征不同反应性焦炭对矿石还原度及焦炭气化率的影响如图2所示。由图2可知,分别在无氢和有氢气氛下,Ri和Rc均随着焦炭反应性的增加而增加。在无氢气氛下焦炭B与焦炭A相比,各温度下Ri分别增加0.8 2%、2.7 4%、6.2 7%和4.7 9%,Rc分别增加0.7 0%、1.6 3%、2.7 6%和4.0 8%;在有氢气氛下焦炭B与 焦 炭A相 比,各 温 度 下Ri分 别 增 加2.6 2%、5.9 8%、3.7 9%和2.7 9%,Rc分 别 增 加1.0 1%、1.5 4%、2.7 4%和5.1 4%。在低温区Rc提高幅度较小,随着温度的不断增加,Rc提高幅度逐渐增加。焦炭反应性增加后,使得焦炭在该区域内可以与更多的C O2和H2O发生气化反应,生成更多的C O和H2,提高了该区域内还原气体浓度,加剧了含铁炉料中铁氧化物的还原8,2 3-2 4。在低温区域焦炭的气化能力相对较弱,提高焦炭反应性后Rc增加幅度较小,使得其对Ri的影响也相对较小。但是由于有氢气氛下产生的H2O与焦炭具有更低的开始反应温度和反应速率2 0,使得Ri和Rc在有氢气氛下的变化幅度大于无氢气氛。随着温度的逐渐增加,焦炭的气化动力学条件变好,提高焦炭反应性后使得焦炭的Rc增加幅度逐渐增加,这也使Ri的增加幅度存在一定程度的增加。为了进一步分析在不同条件下焦炭孔隙结构的劣化过程,分别测定了区域1和区域2的孔隙率(图3)。不同条件下区域1和区域2的孔隙率如图4所示。由图4可知,随着温度的增加,各气氛下区域1和区域2的孔隙率均逐渐增加。在图4(a)中,无论在无 氢 还 是 有 氢 气 氛 下,各 温 度 下 焦 炭 的 孔 隙率均随焦炭反应性的增加而增加,这表明焦炭反应02第6期兰臣臣,等:不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为(a)无氢气氛;(b)有氢气氛图2 焦炭反应性对Ri与Rc的影响F i g.2 E f f e c t o fC R Io nRia n dRc性的提高使焦炭表层强度降低;在低温条件下孔隙率相差较小,其主要原因是该温度下焦炭的气化反应速率较低,固定碳的消耗量较低,随着温度的增加焦炭的气化速率变化幅度逐渐增加2 5。对比焦炭A与焦炭B区域1的孔隙率变化,在无氢气氛下孔隙率的 增 加 幅 度 低 于 有 氢 气 氛。在 图4(b)中,9 0 0焦炭的反应性对区域2的孔隙率影响不大;10 0 0 和11 0 0时,焦炭的反应性增加使区域2的孔隙率增加,这使焦炭的基体强度降低。在12 0 0 时,焦炭的反应性增加使得区域2的孔隙图3 焦炭孔隙率测定区域示意F i g.3 S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o k ep o r o s i t ym e a s u r e m e n t z o n e(a)区域1;(b)区域2。图4 焦炭不同区域的孔隙率F i g.4 P o r o s i t y i nd i f f e r e n t z o n e so f c o k e率降低,其主要原因是焦炭的气化反应速率显著增加,焦炭的气化反应更多地在区域1发生,同时该区域内矿石还原产生的C O2和H2O的总量降低,可以扩散至区域2发生气化反应的气体量减少,使得高温时提高焦炭反应性后区域1的孔隙率增加幅度较大,区域2的孔隙率增加幅度相对较小。有氢气氛下12 0 0 时提高焦炭的反应性使区域2的孔隙率降低幅度略大于无氢气氛,但是变化幅度较小。3 炉料的软熔性能变化3.1 炉料软熔温度的变化不同条件下炉料的软化性能如图5所示。由图5可知,增加焦炭反应性使炉料的炉料软化开始温度(t1 0%,炉料收缩率为1 0%的温度)、软化结束温度(t4 0%,炉料收缩率为4 0%的温度)和软化温度区间(t=t4 0%-t1 0%)均减小。在无氢和有氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,t1 0%分别降12钢 铁第5 8卷低1 5和2 4,t4 0%分别降低2 5和4 2,t分别降低1 0 和1 8。由此可以看出,在无氢气氛下焦炭的反应性对炉料的软化性能影响程度弱于有氢气氛下。图5 不同条件下炉料的软化性能F i g.5 S o f t e n i n gp r o p e r t yo fb u r d e nu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s不同条件下炉料的熔化性能如图6所示。由图6可知,增加煤气中H2含量后,炉料的熔化开始温度(ts,压差陡升温度)和熔化结束温度(td,滴落温度)均有较大幅度的提高,熔化温度区间(td s,td-ts)大幅度降低,熔化带整体向高温区移动。这与文献2 6 的结论一致,且得到了详细的解析。在无氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,ts和td降低了2 9和5 4,td s也降低了2 5。在有 氢 气 氛 下,焦 炭 反 应 性 由2 3.7 3%升 高 至3 5.7 3%时,ts降低了2 0,td降低了5,td s增加了1 5。这表明在无氢气氛下增加焦炭的反应性使熔化带上移,但是温度区间变窄;在有氢气氛下增图6 不同条件下炉料的熔化性能F i g.6 M e l t i n gp r o p e r t yo fb u r d e nu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s加焦炭的反应性使熔化带温度区间变宽,这不利于软熔带透气性的改善。不同条件下软熔带厚度如图7所示。由图7可知,在无氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,软熔带的厚度由2 5 7降低至2 1 8,降低了3 9。在有氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,软熔带的厚度由2 9 0增加至3 0 9,增加了1 9。图7 不同条件下软熔带厚度F i g.7 T h i c k n e s so f c o h e s i v ez o n eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s3.2 炉料料层透气性的变化不同条件下炉料料层的最大压差(Pm a x)如图8所示。由图8可知,在无氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,Pm a x由8.0 1k P a增加至9.2 3k P a,增加了1.2 2k P a。在有氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升 高至3 5.7 3%时,Pm a x由0.9 7k P a增加至1.0 7k P a,增加了0.1k P a。由此可见,焦炭的反应性对料层的最大压差影响较小。图8 不同条件下的Pm a xF i g.8 Pm a xu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s22第6期兰臣臣,等:不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为料层的综合透气性用透气性指数S表示,可通过式(3)计算。S=tdts(Pt-Ps)dt(3)式中:Pt为温度t下的料层压差;Ps为温度ts下的料层压差。透气性指数S越大,料层透气性越差,反之,料层透气性越好。不同条件下炉料料层的透气性指数如图9所示。由图9可知,在无氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,透气性指数S由3 9 7.6 2k P a增 加 至6 2 2.8 1k P a,增 加 了图9 不同条件下的透气性指数F i g.9 Su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s2 2 5.1 9k P a,透气性严重恶化。在有氢气氛下,焦炭反应性由2 3.7 3%升高至3 5.7 3%时,透气性指数S由8.7 2k P a增加 至1 5.5 6k P a,增 加了6.8 4k P a,透气性变化幅度相对较小。综合上述数据可知,焦炭的反应性增加,对炉料的软熔滴落性能存在一定的劣化作用,无氢时软熔带的综合性能受焦炭的反应性的影响程度较大,有氢时影响程度较小。3.3 焦炭与渣铁的界面特征不同反应性焦炭与渣铁的界面微观形貌及元素分布如图1 0所示。条件1、3和4的渣铁-焦界面取自14 0 0,条件2的渣铁-焦界面取自13 9 0,主要是由于条件2下炉料在13 9 6发生滴落。由图1 0可知,焦炭反应性增加后,焦炭表层由于气化反应消耗的碳量增加,碳基体劣化严重,表层强度较低,这使软熔带透气性劣化。对比图1 0(a)和(b)可知,在无氢气氛下,增加焦炭反应性使渣铁分离较好,且焦炭表层的灰分可以与炉渣进行有效融合,这使熔化带向低温区移动。对比图1 0(c)和(d)可知,在有氢气氛下,软熔带的浮氏体含量显著降低,这使得炉渣的熔点升高,流动性能变差。焦炭反应性增加后,焦炭表层灰分含量增加,且不能及时与炉渣融合更新焦炭表面的活性点位,使得与其接触的熔渣中的浮氏体还原阻力增加,也阻碍了金属铁的渗碳过程,不利于软熔带透气性能的改善。(a)条件1:无氢气氛,焦炭A;(b)条件2:无氢气氛,焦炭B;(c)条件3:有氢气氛,焦炭A;(d)条件4:有氢气氛,焦炭B图1 0 渣铁-焦界面S EM-E D S分析F i g.1 0 S EM-E D Sa n a l y s i so f s l a g i r o n-c o k e i n t e r f a c e 综合上述分析可知,焦炭反应性的增加,提高了各温度下铁矿石的还原度。这使得含铁炉料中F e O的质量分数升高,低熔点化合物的生成量增加,所以所对应的t1 0%降低2 7-2 8。增加焦炭反应后,焦炭表32钢 铁第5 8卷层的气化程度较高,使表层具有较高的灰分,这阻碍了焦炭对熔渣中F e O的直接还原,t4 0%和ts降低。熔渣中剩余的F e O含量较高可以使渣相具有更好的熔化和流动性能,可以与焦炭表层的灰分融合,从而更新焦炭表面活性点位,促进焦炭渗碳反应的发生2 9-3 0,使td降低。有氢气氛下炉料的熔化带区域温度较高,这降低了F e O质量分数对熔渣性能和金属渗碳过程的影响程度,使得有氢气氛下焦炭反应性对炉料熔化温度区间、压差和透气性的影响程度降低。4 结论1)在无氢和有氢气氛下,焦炭的反应性提高均有利于各温度下矿石还原度的提高;同时焦炭的气化率也随之增加。各温度下焦炭的表层孔隙率均随焦炭反应性的增加而增加;在无氢气氛下孔隙率的增加幅度低于有氢气氛,焦炭内部孔隙结构整体变化幅度较小。2)增加焦炭反应性,炉料的软化开始温度、软化结束温度、软化温度区间均减小;在无氢气氛下熔化温度区间降低,料层最大压差增加,透气性劣化严重;在有氢气氛下熔化温度区间增加,料层最大压差变化幅度较小,透气性略有劣化。焦炭反应性的增加劣化了炉料的软熔性能,无氢时的影响程度强于有氢时的影响程度。3)焦炭反应性增加后,焦炭表层碳基体劣化严重且强度降低,使软熔带透气性劣化。在无氢气氛下,增加焦炭反应性后,渣铁分离较好,且炉渣可以与焦炭灰分有效融合,使熔化带向低温区移动。在有氢气氛下,焦炭反应性增加后,焦炭表层灰分含量较高,且不能及时与炉渣融合更新焦炭表面的活性点位,使熔渣中的浮氏体还原和金属铁渗碳的阻力增加,不利于软熔带透气性能的改善。参考文献:1 徐匡迪.低 碳 经 济 与 钢 铁 工 业J.钢 铁,2 0 1 0,4 5(3):1.(XUKD.L o wc a r b o ne c o n o m ya n di r o na n ds t e e l i n d u s t r yJ.I r o na n dS t e e l,2 0 1 0,4 5(3):1.)2 李克江,张建良,张亚鹏,等.基于节能减排思想分析炼铁工艺的发展J.过程工程学报,2 0 1 4,1 4(1):1 6 2.(L IKJ,Z HAN GJL,Z HANGYP,e ta l.A n a l y s i so nd e v e l o p m e n to f i r o n-m a k i n gp r o c e s s b a s e do n t h ep r i n c i p l e o f e n e r g y-s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nJ.T h eC h i n e s eJ o u r n a lo fP r o c e s sE n g i n e e r i n g,2 0 1 4,1 4(1):1 6 2.)3 张福明,刘清梅.高炉-转炉钢铁制造流程低碳技术发展与认识J.中国冶金,2 0 2 2,3 3(1):1.(Z HAN GFM,L I U Q M.D e v e l o p m e n ta n du n d e r s t a n d i n go nl o w c a r b o nt e c h n o l o g yb a s e do nB F-B O Fs t e e lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sJ.C h i n aM e t a l l u r g y,2 0 2 2,3 3(1):1.)4 折媛,湛文龙,邹冲,等.改进分段尝试法研究焦炭气化反应动力学J.钢铁,2 0 2 2,5 7(4):1 2.(S HE Y,Z HAN W L,Z UOC,e ta l.K i n e t i c so fc o k eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o np r o c e s sb yi m p r o v e ds e g m e n t a t i o na t t e m p t m e t h o dJ.I r o na n dS t e e l,2 0 2 2,5 7(4):1 2.)5 顾凯,吴胜利,寇明银.焦炭热态性能对高炉产质量影响的统计解析J.钢铁,2 0 1 9,5 4(2):2 0.(GU K,WUSL,KOUM Y.S t a t i s t i c a l a n a l y s i so f i n f l u e n c eo f c o k e t h e r m a l p r o p e r-t i e so nb l a s t f u r n a c eJ.I r o na n dS t e e l,2 0 1 9,5 4(2):2 0.)6 NUMA Z AWA Y,S A I T O Y,MA T S U S H I T A Y,e ta l.L a r g e-s c a l es i m u l a t i o n o f g a s i f i c a t i o n r e a c t i o n w i t h m a s st r a n s f e r f o rm e t a l l u r g i c a lc o k e:M o d e ld e v e l o p m e n tJ.F u-e l,2 0 2 0,2 6 6:1 1 7 0 8